基于TCS208F的氫含量檢測傳感器設計

何濤燾 文華北 萬樂儀

湖南鐳目科技有限公司，湖南長沙 410100

0 引言

鋼中氫含量是許多鋼材缺陷及鋼材報廢的原因之一，隨著鋼中氫含量升高和鋼板厚度增加，鋼中白點、氣泡、針孔等缺陷發生率增高，因此，準確測定氫含量對提高鋼材質量具有重要意義[1]。由于氫在鋼中的易擴散性，準確測定鋼液氫含量一直是化學氣體分析中的難題。氫氣傳感器以氣敏器件為核心組成，氣體熱導檢測法是最早應用于氣體檢測的一種方法。但是，由于傳統的熱導傳感器檢測方法是利用傳感器的溫度隨被測氣體濃度的改變而發生相應的變化這一特性，實現對不同氣體純度的檢測存在檢測靈敏度低、檢測誤差大、溫度漂移大、環境溫度補償困難、有交叉敏感現象等諸多問題[2-3]。本文設計了一種精度高、擴展性強、使用方便的在線測氫傳感器，對鋼水氫含量檢測系統的國產化具有重要作用。

1 傳感器結構設計

為了使傳感器能夠穩定工作，檢測室的設計尤為重要，如何使檢測室恒溫是設計的重中之重。本傳感器的組成實物圖如圖1所示。結構示意圖如圖2所示，包含恒溫加熱單元、數據采集電路板、主控電路板、進出氣接口、測量氣室、外部傳感器接口和信號輸出接口。

恒溫加熱單元用于對檢測室恒溫加熱；數據采集電路板包含TCS208F熱導芯片[4]和溫度傳感LM35，用于檢測氫含量和測量環境溫度；主控電路板包含有單片機、信號調理電路和毫安輸出部分，單片機通過對溫度傳感器LM35來檢測檢測室的溫度，通過數字式PID算法調整PWM占空比來實現檢測室的溫度穩定；檢測室底部為被測氣體進出口；外部傳感器接口用于外接壓力傳感器，動態檢測被測氣體壓力；兩塊電路板之間填充了絕緣性密封膠，實現整體密封；信號輸出接口用于對外輸出標準的4～20 mA信號。

2 傳感器硬件電路設計

傳感器的硬件電路主要由檢測電橋電路、調零放大電路、U/I轉換電路和PWM溫控電路（含MCU電路）組成。當電源接通后，傳感器啟動。主控單元控制溫控單元工作，測量氣室進入加熱狀態，當傳感器氣室溫度上升至40 ℃時，控制加熱單元使氣室保持恒定，接著，采集電路進入工作狀態，開始采集處理信號。U/I轉換電路實時將信號輸出。

2.1 傳感器檢測電橋電路

恒溫工作條件下，氫含量檢測傳感器檢測要求氣體熱導系數變化時，傳感器的工作電流或電壓也隨之改變，通過利用傳感器工作電流的變化與被測氣體導熱系數的關系實現被測氣體體積分數的檢測。

傳感器檢測電橋電路如圖3所示。兩個膜加熱和測量電阻器Rm1、Rm2串聯連接在兩個運放之間。溫度測量電阻Rt1通過負反饋連接到第一個運放，兩個運行形成正向反饋回路，回路處在穩定狀態且有一個總的增益，這個增益由Rm(Rm1+Rm2)和Rt(Rt1)的電流和電壓的非線性作用決定。U0的極性由二極管D1決定，U0值由下式決定：

其中，G——傳感器幾何常數；

α——溫度系數；

λ——氣體熱傳導率；

R1、R2——固定電阻，恒定電壓條件下，TCS208F金屬薄膜恒溫，Rm1和Rm2阻值恒定，因此，U0只與氣體熱傳導率λ和環境溫度測量電阻Rt1有關。

Rt由環境溫度決定，環境溫度越高，Rt越小，與氣體熱傳導率成反比，因此：

2.2 信號調零放大電路

傳感器適用于檢測兩種熱導率相差大的氣體的體積分數，調零電路使傳感器信號在單一氣體條件下從零點起步。以He和N2體積分數檢測為例，傳感器在純氮條件下，U0輸出幅值為5.8 V，He體積分數每增加1%，U0增加約14 mV，為得到標準信號，需將U0值先減去5.8 V，再調整放大倍數，使在純He條件下傳感器輸出為滿量程電壓2 V。

傳感器信號調零放大電路如圖4所示。LM399提供一個6.95 V的標準電壓源，通過電位器RW2分壓，輸入到運發U5的反向輸入端，運放U5構建一個減法電路，對輸入的U0調零，U6構建一個正向放大器，放大倍數由RW1調節。

2.3 U/I轉換電路

為使傳感器信號遠距離傳輸，采用AD694構建電壓-電流轉換器。它將輸入電壓信號轉換成標準4～20 mA電流信號，具有輸入緩沖放大器、V/I轉換電路、4 mA電流偏置及選通和微調電路、參考電壓電路、輸入量程選擇端、開路和越限報警輸出端，功能較強，使用時不接或只接很少的外部元件，可達到0.002%的非線性度，精度高，且抗干擾性強[5]。

在本電路設計中，采用0～2 V輸入，4～20 mA輸出，因此，2 V FS引腳接地，RW4作為4 mA電流偏置微調電位器，在V_OUT輸入0 V時，調節電位器RW4，使C_OUT輸出為4 mA，RW3為2 V滿刻度微調調整電位器，在V_OUT輸入2 V時，調節電位器RW3，使C_OUT輸出為20 mA，如圖5所示。

2.4 PWM溫控電路

氫含量檢測傳感器需要一個恒定的環境溫度，在本電路設計當中，單片機STC12C5A作為恒溫加熱控制核心，實現PID算法調度，通過改變PWM脈沖占空比，實現對加熱線圈功率控制，使環境溫度穩定在50 ℃，PWM溫控電路如圖6所示。單片機P1.0端口功能復用為ADC采集端口，P1.4端口設置為開漏輸出，其功能復用為PWM脈沖輸出端口，溫度傳感器LM35用于采集環境溫度，輸入單片機P1.0端口，P1.4通過NPN三極管控制達林頓晶體管MJD127通斷，D4作為加熱控制指示燈。

單片機程序流程如圖7所示。系統上電之后，先對端口初始化，將P1端口P1.0設置為浮空輸入，P1.4設置為開漏輸出；初始化定時器，定時器T0設置為16位自動重載定時器，定時時間為10 ms；初始化PCA為PWM輸出模式，設置PCA以定時器0溢出作為PWM的時鐘源；初始化ADC功能，設置單通道12位采集模式，初始化看門狗，防止單片機死機。單片機初始化完成后進入死循環程序，在循環程序中，通過采集環境溫度，調取PID算法，修正PWM脈沖占空比。

3 實驗結果

實驗測試先采用1組純N2和1組20% H2、80%N2標準混合氣對傳感器標定，分別對應調零輸出電流4 mA和滿量程輸出電流20 mA，標定參數和結果如表1所示。

標定之后，測量不同已知體積分數的氮氫混合氣的輸出電流值，驗證傳感器的性能。氣體組分與實測結果對比如表2所示。通過對表2數據的分析可以看出，傳感器的最大誤差＜1% FS，具有良好的線性關系，從而依照此曲線關系，根據傳感器輸出的電流值，可以快速計算得到被測氫氣體積分數。傳感器測試曲線如圖8所示。

表1 傳感器標定結果

表2 傳感器測試結果

4 結束語

實驗測試表明，本傳感器采用的內部溫控電路和PID算法可以實現測量氣室溫度穩定，有效抑制溫漂對測量精度的影響，最大誤差＜1% FS，同時具有低功耗、低噪聲、溫漂小、量程可自行調節等優點，快速實現對不同熱導率的氣體體積分數檢測，能夠解決傳統的熱導傳感器存在檢測靈敏度低、檢測誤差大、溫度漂移大、環境溫度補償困難、有交叉敏感現象等問題。